調節(jié)C/N及添加菌劑與木酢液對園林綠化廢棄物堆肥效果的影響

張 強，孫向陽*，任忠秀，張 驊，郝利峰，魏 莎

(1北京林業(yè)大學水土保持學院，北京 100083;2中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，北京 100094)

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和生態(tài)城市的建設，園林綠化廢棄物的數(shù)量日益增加。長期以來，大量的園林綠化廢棄物作為燃料燒掉或被填埋廢棄，其經(jīng)濟利用價值低，而園林綠化廢棄物含有大量的木質纖維素和有機成分，作為燃料燃燒或簡單的填埋處理不能適應可持續(xù)發(fā)展的要求，堆肥化處理成為一種必然趨勢［1］。利用以枯枝、落葉等為主的園林綠化廢棄物為骨料與糞渣進行共堆肥，既能增加孔隙率與透氣性，實現(xiàn)全過程好氧堆肥，最終達到園內廢物“零”排放和資源化利用的目的，又減少了市政綠化的化肥施用量。國內有關堆肥的研究多數(shù)集中于不同C/N的調節(jié)與不同菌劑添加量的單一因素或兩因素對堆肥影響的研究［2－4］，有關木酢液作為堆肥發(fā)酵促進劑的研究，特別是不同濃度木酢液對堆肥的影響研究甚少。有研究表明，用作土壤添加劑的高濃度木酢液對土壤微生物的數(shù)量有一定的抑制作用，適當濃度時對土壤微生物的繁殖具有促進作用［5］;且在堆肥中，鄒德乙等發(fā)現(xiàn)500倍木酢液稀釋液對草炭發(fā)酵有明顯的促進作用［6］。基于以上研究結果，本研究在不同C/N與菌劑添加量的基礎上，采用稀釋950倍、500倍、50倍的木酢液設計了L9(34)正交堆肥試驗，旨在探究C/N、菌劑添加量、木酢液添加量三因素，及菌劑與木酢液交互作用對堆肥腐熟度的影響效果，找出適合園林綠化廢棄物堆肥的最佳參數(shù)配比，為促進園林綠化廢棄物的資源化利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

園林綠化廢棄物堆肥試驗于2011年4～6月在北京市香山公園堆肥廠進行，在北京林業(yè)大學水土保持重點實驗室進行堆肥理化性質分析。以北京市香山公園秋季修剪的植物枯枝、敗葉為主要原料，雞糞為調理劑，主要堆肥原料的基本理化性質見表1。所用菌劑為速腐寶有機物料腐熟菌劑，該菌劑是一種高效復合型微生物菌劑，主要成分為蛋白質、脂肪、纖維素、幾丁質等，具有很強的分解能力和較快的分解速度，適用于多種不同底物的堆肥快速腐熟。所用木酢液為燒制木炭過程中木材熱解所形成的淡黃色至紅褐色冷凝回收液，具有特殊的煙熏氣味，呈酸性，pH 值3.4，EC 值1400 μs/cm。

1.2 試驗設計

表1 主要堆肥原料的基本理化性質Table 1 Basic physicochemical properties of main composting materials

采用C/N、菌劑添加量、木酢液稀釋倍數(shù)3因子及菌劑與木酢液交互作用的L9(34)正交設計(表2)。按照試驗設計要求，根據(jù)園林綠化廢棄物與雞糞的重量比調節(jié)C/N，添加菌劑后混勻，然后再加入等體積的稀釋950倍、500倍、50倍木酢液，邊噴邊攪拌，使堆料水分含量達65%左右，這樣既達到含水量要求，又有利于木酢液混拌均勻，還節(jié)省人工，最后分別堆制成長約2 m、寬1.5 m、高 l m的堆體。

表2 L9(34)正交試驗設計Table 2 Orthogonal experimental design L9(34)

1.3 試驗管理及取樣

根據(jù)溫度變化，堆肥開始后前2周，每3 d翻1次堆，以后每周翻堆1次，保證堆溫不超過70℃。每天在9:00和16:00分別記錄堆體多點溫度，并以其算術平均值描述堆體溫度的變化。堆肥周期為75 d，其中在堆肥過程中每5 d采樣一次，共16次，采樣方式為五點采樣法，即在中心及四角部位采集樣品共約500 g，采樣點為堆體表面以下20～30 cm處。將采集的新鮮樣品放于室內風干后部分用于pH、EC和種子發(fā)芽指數(shù)(germination index，GI)的測定，其余粉碎后過0.25 mm篩，用于總有機碳(TOC)和全氮(TN)的測定。

1.4 測定方法

TOC和TN的測定采用有機肥料行業(yè)標準(NY525－2002)中規(guī)定的方法，隨后求出C/N。

將樣水比按1∶10(W∶V)混合，震蕩30 min后，離心過濾，使用PHS－25型數(shù)顯pH計測定pH，DDS－307型電導率儀測定EC。

按樣水比1∶10(W∶V)混合振蕩2 h后離心，上清液經(jīng)濾紙過濾后待測種子發(fā)芽率。將一張濾紙置于干凈無菌的9 cm培養(yǎng)皿中，在濾紙上均勻擺放20粒小白菜種子，吸取5 mL浸提液的濾液于培養(yǎng)皿中，在25℃恒溫箱中培養(yǎng)48 h，計算發(fā)芽率并測定根長，然后計算種子的GI。每個樣品做3個重復，并同時用去離子水作空白對照。GI計算公式如下:

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

采用SPSS軟件對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析、多重比較(LSD法);采用Microsoft Office Excel 2003進行數(shù)據(jù)處理和圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 不同處理堆肥過程中溫度的變化

溫度是影響微生物生長與繁殖的最顯著因子，也是堆肥過程控制中的最重要物理參數(shù)之一。高溫可殺死病原菌，且在適當?shù)臏囟确秶鷥扔袡C質降解最快，因此，堆體溫度的高低決定堆肥速度的快慢。工程上要求堆肥溫度控制在微生物活性的最佳范圍，即 50 ～65℃［7］。

從圖1中可以看出，C/N20+W/950、C/N30+W/500、C/N40+W/50、 C/N40+0.2%M+W/950、C/N20+0.2%M+W/500、C/N30+0.2%M+W/50、C/N30+0.4%M+W/950、C/N40+0.4%M+W/500、C/N20+0.4%M+W/50 9個處理堆肥的溫度變化趨勢基本一致，整個周期經(jīng)歷了迅速升溫階段、高溫階段和后熟降溫階段。在迅速升溫階段，9個處理堆肥的溫度依次在第5、4、7、5、3、3、3、4、3 d升至 50℃以上，可見，C/N40+W/50處理的堆肥升溫最慢，這說明C/N越高升溫越慢，適量添加菌劑與木酢液能促進堆肥初溫上升。迅速增溫階段后進入高溫階段，試驗溫度維持在50～65℃，9個處理堆肥的高溫期維持在15～37 d范圍內，差異較大。9個處理堆肥溫度保持在50℃以上的時間依次為 15、30、23、31、26、24、34、37、20 d，保持在60℃以上的時間依次為0、8、0、11、8、6、11、13、3 d，這說明 C/N 越高，高溫期越持久，適量添加菌劑與木酢液能提前并延長高溫期。

圖1 不同處理堆肥過程中溫度的變化Fig.1 Dynamics of temperature during the composting in different treatments

有研究表明，積溫可以作為堆肥過程中兼顧溫度強度和保持時間的重要參數(shù)，與堆肥化進程及堆肥的腐熟度有關［8］。由圖2可知，C/N40+0.4%M+W/500處理堆肥的積溫最大，C/N20+W/950處理堆肥的積溫最小。可見，C/N比越高堆肥積溫越高，添加適量菌劑與木酢液能提高堆肥積溫。在后熟降溫階段各處理堆肥溫度逐漸降低，9個處理堆肥的溫度依次從第44、50、70、58、36、50、46、50、41 d開始降至室溫，維持在35～37℃范圍內。可見，C/N越高堆肥周期越長，添加適量菌劑與木酢液可縮短堆肥發(fā)酵周期。

單從溫度變化及積溫表現(xiàn)來看，C/N30+W/500、C/N40+0.2%M+W/950、C/N30+0.4%M+W/950、C/N40+0.4%M+W/500處理堆肥的發(fā)酵效果最好，整個堆肥發(fā)酵階段高溫保持時間較長、積溫較高。而C/N40+W/50和C/N20+0.4%M+W/50處理堆肥的積溫最低，高溫持續(xù)期最短，這可能與低C/N條件下有效碳源不足和高C/N條件下有效氮源不足及添加高濃度的木酢液抑制了微生物數(shù)量有關。添加適量菌劑與木酢液能提前并延長堆肥高溫期，縮短堆肥發(fā)酵周期。其原因可能是，菌劑的添加增加了堆層中微生物總數(shù)，而適量木酢液的添加為微生物提供了餌食，使堆層中的微生物迅速繁殖，并維持在相對穩(wěn)定的較高水平上［9］，這使得堆肥高溫期提前到來。同時，一定量的微生物可以迅速分解堆料中的有機物，從而加快堆肥腐熟，大大縮短堆肥時間。

圖2 不同處理的堆肥積溫Fig.2 Cumulative temperatures of composts with different treatments

2.2 不同處理堆肥過程中TOC、TN和C/N的變化

在整個堆肥過程中，碳作為堆料中各種微生物優(yōu)先利用的能源物質，被微生物不斷分解利用并以CO2和H2O的形式揮發(fā)，堆肥前期TOC含量迅速降低，隨后緩慢減小并趨于平穩(wěn)［10］。由圖3A可知，本試驗各處理堆肥的TOC起始含量不同，9個處理的堆肥在初始10 d內有機物的降解較劇烈，TOC含量大幅度下降，隨后5 d，C/N30+W/500、C/N40+0.2%M+W/950、C/N30+0.4%M+W/950、C/N40+0.4%M+W/500處理的堆肥由于高溫期持續(xù)時間長，仍保持較高的有機碳降解速率，35～45 d后各處理堆肥TOC含量逐漸趨于平衡，到堆肥結束時，9個處理的堆肥 TOC的降解率依次為27.76%、40.74%、32.98%、44.12%、38.20%、39.68%、44.70%、46.32%、32.74%。可見，添加適量菌劑與木酢液的高C/N堆肥的碳物質損失量較多，這主要是C/N高有機物降解強烈，添加菌劑和木酢液使微生物活性加強的原因。

圖3 不同處理堆肥過程中總有機碳、全氮和碳氮比的動態(tài)變化Fig.3 Dynamics of total carbon(TOC)，total nitrogen(TN)and C/N ratio during the composting in different treatments

TN相對含量的變化規(guī)律與TOC的變化規(guī)律不同，氮素轉化主要包括氨化、硝化、反硝化、揮發(fā)和生物固氮等。氮素的變化對臭氣的釋放、養(yǎng)分的流失以及堆肥的腐熟有重要的影響。各處理堆肥的初始C/N不同，TN含量的變化趨勢不同(圖3B)。C/N20+W/950處理和C/N 20+0.4%M+W/50處理堆肥的TN含量在初始10 d內較大幅度下降，隨后隨著堆肥的進行TN含量又逐漸回升，C/N30+W/500、C/N40+0.2%M+W/950、C/N30+0.4%M+W/950、C/N40+0.4%M+W/500處理堆肥的TN含量則在整個堆肥過程中呈現(xiàn)不斷上升的趨勢，C/N40+W/50、C/N20+0.2%M+W/500、C/N30+0.2%M+W/50處理的堆肥TN含量在整個堆肥過程中基本保持不變或呈小幅度上升趨勢。原因可能是 C/N 20+W/950和 C/N 20+0.4%M+W/50處理堆肥的C/N較低，碳源的不足限制了微生物對有機質的分解，大量富裕的氮素在堆肥初期隨著溫度、pH值的升高而出現(xiàn)損失，隨后隨著碳物質的損失，氮被濃縮，TN含量逐漸回升。而C/N30+0.4%M+W/950和C/N40+0.4%M+W/500處理的堆肥添加了適量菌劑與木酢液，這使得堆肥有機質降解強度大，碳物質損失多，對氮的濃縮作用較強，因此TN含量呈不斷上升趨勢。到堆肥結束，9個處理堆肥的TN含量較堆肥初始依次增加了 －2.63%、14.95%、6.99%、14.49%、5.96%、10.29%、21.17%、25.2%、1.38%(圖3B)。可見，C/N的調節(jié)、適量菌劑與木酢液的添加有利于TN相對含量的增加。

一般認為，當T(終點C/N/初始C/N)值小于0.6時，表示堆肥已達腐熟［11－13］。本試驗堆肥腐熟過程中，9個處理堆肥的C/N均呈下降趨勢，這是因為在堆腐過程中碳的損失遠大于氮的損失。從圖3C可以看出，9個處理堆肥的C/N下降幅度在前10 d較顯著，這說明在堆肥初期，微生物代謝活動旺盛，有機物質分解劇烈。隨后C/N20+W/950、C/N40+W/50、C/N20+0.4%M+W/50處理堆肥的C/N下降速度逐漸轉為緩慢平穩(wěn)，C/N30+W/500、C/N40+0.2%M+W/950、C/N30+0.4%M+W/950、C/N40+0.4%M+W/500處理堆肥的C/N仍保持急劇下降趨勢，這是因為C/N20+W/950、C/N40+W/50、C/N20+0.4%M+W/50處理的堆肥高溫期短，隨著溫度的降低，微生物活動減弱，有機質降解速率減慢，而C/N30+W/500、C/N40+0.2%M+W/950、C/N30+0.4%M+W/950、C/N40+0.4%M+W/500處理的堆肥高溫期持續(xù)時間長，微生物代謝活動旺盛，有機質降解率高，因此C/N保持急劇下降趨勢的時間長。但各處理堆肥隨著全碳含量變化趨于穩(wěn)定，C/N最終趨于平穩(wěn)(圖3A、C)。到堆肥結束后，9個處理堆肥的T值依次 為 0.74、0.52、0.63、0.49、0.58、0.54、0.46、0.43、0.66，這表明除 C/N20+W/950、C/N40+W/50、C/N20+0.4%M+W/50處理的堆肥未腐熟外，其余6個處理堆肥均已腐熟。

2.3 不同處理堆肥前后堆體體積、pH及EC值的變化

隨著堆肥的進行，堆料之間的空隙越來越小，堆體體積逐漸減小。到堆肥結束時C/N 40+0.4%M+W/500處理的堆肥體積較堆前縮小比例最大，C/N 20+W/950處理堆肥的變化最小。pH值的大小不僅影響有機物質分解、礦物質的氧化還原及微生物活動強度，而且直接影響酶參與的生化反應速度，是評價堆肥腐熟程度的重要指標之一［14］。本次堆肥中各處理的pH值從堆制開始到結束均有所升高。pH值的升高，是由于有機質在微生物的強烈作用下大量分解產(chǎn)生大量NH3引起的。如表3所示，堆制前后各處理堆肥pH值的上升幅度不同，堆制前后C/N40+0.2%M+W/950、C/N30+0.4%M+W/950處理堆肥的pH變化最大，這是因為這兩個處理堆肥的C/N較高，足夠的碳源為微生物的生長和繁殖提供了必要的營養(yǎng)物質，有機質降解的程度較高，而外源菌劑的添加使得堆肥過程中有機質分解更加劇烈，揮發(fā)的部分NH3充滿堆體，使堆體pH不斷升高。由表3可以看出:在堆肥C/N一定的條件下添加木酢液能降低堆肥pH，這一現(xiàn)象可能是由于木酢液呈酸性，添加木酢液為堆肥提供了大量的H+，與NH3反應形成溶于水，使pH降低。可見合適的C/N調節(jié)和菌劑的添加均有利于堆肥pH的升高，而木酢液使堆肥產(chǎn)品pH降低。有機肥料標準規(guī)定的pH值為5.5～8.0［15］，本次堆肥中各處理的pH未達到有機肥料標準。可見堆肥成品的使用還需要根據(jù)實際情況添加其它添加物，降低pH。

EC的大小與堆肥的含鹽量有關，用作土壤調理劑的堆肥，其EC不宜過大，否則會影響作物的正常生長。由表3的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，各處理堆肥成品的EC值較原材料的EC值均有所升高，且C/N越低的處理，EC值越高，添加適量菌劑與木酢液的處理EC值偏低，這與鄭瑞生［16］與田赟等［17］的研究結果一致。堆肥產(chǎn)品EC值的升高是由堆腐過程中堆體產(chǎn)生大量的銨離子和礦質鹽分及堆體體積逐漸減小引起的［18－19］。而添加適量菌劑與木酢液的堆肥 EC值偏低是由于菌種與木酢液的添加加速了對堆肥原料的分解，生成較多腐殖質，從而降低EC值。可見，C/N的調節(jié)及適量菌劑與木酢液的添加能防止堆肥產(chǎn)品EC值過高，提高堆肥成品質量。

表3 不同處理堆肥前后堆體體積、pH及EC的變化Table 3 Variations of volume，pH value and EC value of the composting at the start and the end of different treatments

2.5 各處理堆肥的種子發(fā)芽指數(shù)(GI)

種子發(fā)芽指數(shù)(GI)被認為是評價堆肥腐熟度的最可靠指標之一。一般來講，當GI＞60%則可認為堆肥基本無毒性，當GI達到80% ～85%時，這種堆肥就可以認為是對植物沒有毒性［2］。

由方差分析(表4)可知，各處理重復間的GI差異不顯著，處理間、C/N、菌劑、木酢液、菌劑與木酢液交互作用均為極顯著，說明C/N、菌劑、木酢液、菌劑與木酢液交互作用都是影響GI的重要因素。由表5可以看出，C/N的極差最大，說明C/N對堆肥GI的影響最大，木酢液在三因素中的影響作用最小，這與堆肥中有機質的降解速率主要取決于C/N，而并非微生物種類或數(shù)量的多少有關［20－21］。堆肥處理間及各因素效應的多重比較結果(表5)表明，C/N為30處理效果最好，菌劑添加量為0.4%效果最好;稀釋500倍木酢液效果最好，分別與其他水平差異顯著。C/N為40、稀釋50倍木酢液的效果反而差，這可能與高C/N條件下有效氮源不足抑制微生物活動，高濃度木酢液對微生物活性也有一定的抑制作用有關。F檢驗表明菌劑與木酢液的交互效應為極顯著，0.4%菌劑與稀釋500倍木酢液的互作值最大，與其他水平的互作值差異極顯著;各菌劑添加量與稀釋50倍木酢液的互作值均為負值，說明稀釋50倍的木酢液對菌劑的效果存在一定的抑制作用。

本試驗中，C/N30+0.4%M+W/950處理的堆肥的GI值比C/N40+0.4%M+W/500處理的大，且差異顯著，這說明0.4%菌劑與稀釋500倍木酢液的交互作用雖大，但C/N為30比C/N為40對堆肥GI的影響遠大于0.4%菌劑與稀釋500倍木酢液的互作效應對GI的影響效果。處理C/N20+W/950、C/N40+W/5、C/N20+0.4%M+W/50的GI最小且之間的差異不顯著，均未達到對植物無毒害的標準，這說明C/N過高或過低都不利于堆肥腐熟度的提高，這可能與低C/N會使EC過高，過高的鹽分抑制了種子的正常發(fā)芽，而高C/N使堆肥養(yǎng)分含量低有關。C/N20+0.2%M+W/500處理分別與C/N20+W/950和C/N20+0.4%M+W/50處理的GI值差異均達極顯著水平，這說明適量菌劑與木酢液的添加能有效提高堆肥腐熟度。因此，確定C/N、菌劑、木酢液三因素的最優(yōu)組合為C/N30+0.4%M+W/500，即C/N30+0.4%菌劑+稀釋500倍木酢液。

表4 L9(34)正交試驗方差分析Table 4 Variance analysis of orthogonal experimental designed L9(34)

表5 不同處理間及因素效應的差異顯著性檢驗Table 5 Multiple comparisons between differ ent treatments and factor effects

3 結論

C/N的調節(jié)，菌劑與木酢液的添加對堆肥發(fā)酵周期及堆溫影響較大。C/N低，有機質降解強度小，微生物分解速度快，溫度上升迅速，高溫期及堆肥周期短，積溫低;C/N高，有機質降解強度大，微生物分解速度緩慢，溫度上升慢，高溫期及堆肥周期長，積溫高。適量添加菌劑與木酢液能促使堆肥初溫上升，高溫期提前并延長，積溫提高，發(fā)酵堆肥周期縮短。

在合適的C/N范圍內添加菌劑與木酢液，C/N越大堆肥全碳的降解率越高，全氮相對含量越高，堆肥腐熟度越好。適當?shù)腃/N調節(jié)及適量菌劑的添加均能促使堆肥pH升高，防止EC值過高，而木酢液的添加使pH與EC值降低。

F檢驗結果(表4)表明，C/N、菌劑、木酢液、菌劑與木酢液交互作用對堆肥發(fā)芽指數(shù)的影響均達極顯著水平，3個因素對堆肥影響順序為C/N＞菌劑＞木酢液;因素效應的差異顯著性檢驗結果(表5)表明，對堆肥效果而言，C/N為30的效果最好，C/N過高或過低的堆肥對植物的毒害作用較強，0.4%菌劑與稀釋500倍的木酢液的交互作用最大，稀釋50倍的木酢液對堆肥微生物活性存在一定的抑制作用，可見C/N30+0.4%菌劑+稀釋500倍木酢液為堆肥最優(yōu)組合。

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